Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle ; Department Analytik

1. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle ; Department Analytik • Atomspektrometrische Analytik • Gegenstand & Einordnung • Historischer Überblick • Grundlagen der Atomspektrometrie • Atomspektrometrische Methoden • 4.1 Atomemissionsspektrometrie • 4.2 Atomabsorptionsspektrometrie • 4.3 Atomfluoreszenzspektrometrie • ICP – Massenspektrometrie • Kopplungstechniken Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

2. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Atomspektrometrie Gegenstand & Einordnung Die „alten Griechen“ hatten bereits verschiedene Vorstellungen von Atombau und Elemente. Leukipp, einer der Begründer der Atomistik, war der Meinung, dass nur gleichartige Atome und leerer Raum existieren. Sein Schüler Demokrit war grundsätzlich der selben Meinung. Er glaubte außerdem, dass sämtliche Stoffe und auch Qualitäten aus der Anordnung und Bewegung von genau gleichen Atomen entstehen. Dieses Modell wurde erst von Dalton verfeinert. Er hat erkannt, dass es genau so viele „Atomsorten“ wie Elemente gibt. Seiner Meinung nach waren Atome unteilbar und ihre Masse unbestimmbar. Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

3. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Atomspektrometrie : Gegenstand & Einordnung Gegenstand: Elementanalytik * 110 DS Darmstadtium Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

4. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Atomspektrometrie : Gegenstand & Einordnung Prinzip: Wechselwirkung freier Atome (bzw. freier Ionen) mit elektromagnetischer Strahlung Nutzung der Energie, die mit Elektronenübergängen zwischendenäußeren Energieniveaus von Atomen bzw. Ionen verbunden ist Emission und Absorption von Photonen mit der Energie hν Gegenstand Linienspektren, die für die emittierenden oder absorbierenden Atome (Elemente) spezifisch sind Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

5. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Atomspektrometrie : Gegenstand & Einordnung Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

6. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Atomspektrometrie : Gegenstand & Einordnung Messvariable: Bestimmung von Wellenlänge λ bzw. Frequenz ν qualitative Analyse Messgröße: Änderung der elektromagnetischen Strahlung einerdefinierten Wellenlänge Intensität (Intensitätsänderung) von Strahlung einer definierten Wellenlänge quantitative Analyse → → Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

7. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Spektroskopische Methoden Einordnung der Atomspektrometrie Art der Spektrometrie typischer Wellenlängenbereich Art des Quantenüberganges Gamma-Strahlenemission 0.005 – 1.4 Å Atomkern Röntgen- 0.1 - 100 Å (0.01 – 10 nm) innere Elektronen Absorption Emission Fluoreszenz Beugung Vakuum – UV - Absorption 10 – 180 nm äußere Elektronen UV /VIS 180 – 780 nm äußere Elektronen Absorption Bindungselektronen Emission Fluoreszenz IR – Absorption 0.78 - 300 µm Rotation / Schwingung Ramanstreuung von Molekül (~bindungen) Mikrowellenabsorption 0.75 – 3.73 mm Rotation von Molekülen Elektronenspinresonanz 3 cm Spin der Elektronen NMR magnetische Kernresonanz 0.6 – 10 m Spin der Kerne Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

8. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie für atomspektrometrische Analysenmethoden relevanter Wellenlängenbereich 130 nm 180 nm 380 nm >800 nm VUV UV VIS NIR Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

9. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Gegenstand & Einordnung Klassifizierung von Methoden der Atomspektrometrie Akronym Bezeichnung Vorgang Plasma t [°C] AAS Atomabsorption Absorption FAAS Flamme 1500 – 3000 ETAAS elektrothermisch 500 – 2800 GFAAS elektrothermisch 500 – 2800 QTAAS elektrothermisch 50 – 850 AES (OES) Atomemission Emission (optische Emission) FAES Flamme 1500 – 3200 elektr. Lichtbogen 4000 – 6000 elektr. Funken 20000 – 40000 LMA Laser 20000 – 40000 ICP- AES inductively-coupled plasma 4000 – 8000 MIP - AES Mikrowellenplasma DCP - AES capacity-coupled plasma HKL – AES Hohlkathodenentladung GD – AES Glimmentladung FANES / FAPES Graphitrohr + GD (HKL) 500 – 2800 AFS Atomfluoreszenz Re-Emission FAFS Flamme 1500 – 3200 GFAFS elektrothermisch 500 – 2800 ICP- AFS inductively-coupled plasma 4000 – 8000 Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

10. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

11. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Mitte des 17. Jahrhunderts Marcus Marci von Kronland (1648) Regenbogen entsteht auf Basis der Beugung und Streuung von Licht in Wassertröpfchen Isaac Newton (1666) Zerlegung des Sonnenlichtes beim Durchgang durch ein Glasprisma in Regenbogenfarben Bei Verwendung von gekreuzten Prismen gelingt eine „Wiedervereinigung“ der Spektralfarben zu weißem Licht  Theorem: Licht ist eine Teilchenstrahlung später durch photoelektrischen Effekt bestätigt Christiaan Huygens  Theorem: Licht ist eine Wellenerscheinung später durch Lichtzerlegung am Beugungsgitter bestätigt 1802 Wollastone findet in einem Eintrittsspalt als Aperture dunkle Linien im Sonnenlicht  Sonnenlichtspektrum ist nicht kontinuierlich 1817 Fraunhofer erstes Transmissions-Beugungsgitter & erstes Spektroskop findet im Sonnenspektrum ca 700 Linien Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

12. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Robert Wimmer(Holzstich um 1890) „Fraunhofer erklärt seinen Freunden den Spektrometer“ Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

13. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik 1826 Talbot und Henschel Beobachtung der Spektrallinien von Na-, K-, Li-, Sr- Salzen in Spiritusflamme  Vorschlag: Methode zum Nachweis von diesen Elementen mittels Flammenfärbung1855 Bunsen Entwicklung des nach ihm benannten Brenners 1860 Foucault erste Versuche zur Atomabsorption Licht einer Na-Flamme (als Emissionsquelle) wird durch zweite gleichartige Flamme spektroskopisch beobachtet  Absorption mit D-Linie im Fraunhofer-Spektrum Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

14. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik 1860: Beginn der wissenschaftlichen Atomspektroskopie Bunsen und Kirchhoff “Spektrallinien sind Resultat von Vorgängen an Atomen“ Die Atomarten strahlen für sie charakteristische Spektrallinien aus. Das Vorhandensein bestimmter Linien kann für den Nachweis des Vorhandenseins dieser Elemente dienen. Kirchhoff Postulat über Emission und Absorption Materie absorbiert Strahlung der gleichen Wellenlänge, die sie emittiert. Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

15. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik 1860: Beginn der wissenschaftlichen Atomspektroskopie Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

16. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik 1860: Beginn der wissenschaftlichen Atomspektroskopie Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

17. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Beginn der wissenschaftlichen Atomspektroskopie Bunsen und Kirchhoff Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

18. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik 1885 Balmer stellt für die Wellenlängen der Linien des Wasserstoffes einfache Formel auf ν’ = 1 / λ = R (1/22 – 1 / n2) ν’ = Wellenzahl [cm-1] λ = Wellenlänge [cm], R = Rydberg – Konstante (109677 cm-1) n = 3,4,5,… Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

19. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik 1878 Lockyer erstes Atomabsorptionsspektrometer Atomisator : Eisenrohr kohlebeheizt Elektrische Lichtquelle Kipp‘sche Apparatur für H2 - Erzeugung Spektroskop Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

20. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik • Erste Ergebnisse der analytischen Atomspektroskopie • Element - Entdeckungen • 1861 Rb, Cs Bunsen, Kirchhoff • 1861 Tl Crooks • 1863 In Reich • 1868 He im Sonnenspektrum Lockyer • Ga Boisbaudran • 1880 – 1900 Seltene Erd-Elemente • Ar Ramsay Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

21. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Meilensteine in der analytischen Atomspektroskopie • Ab 1900 Bau von Spektralapparaten mit Photoplatte zur Spektren-Registrierung • 1905 Wood • Bericht über die Beobachtung des Phänomens der Atomfluoreszenz • Paschen • Entwicklung der Hohlkathodenlampen • Ab 1920 Emissionsspektralanalyse • Gerlach • Photoplatte • 1924 Nichols & Howes • Bericht über Fluoreszenz des Atomdampfes in Flammen • 1936Photoelektrische Spektrenerfassung (Photozelle) • Woodson • Hg Atomabsorption • Babat • erstes induktiv-gekoppeltes Plasma bei Normaldruck Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

22. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik Meilensteine in der analytischen Atomspektroskopie • 1953 Walsh • Theoretischer Beleg, dass für Spurenelementbestimmung Atomabsorptions- spektren gegenüber Emissionsspektren Vorteile haben • 1954 Walsh • Für AAS sind Linienstrahler als Lichtquelle erforderlich • Bericht über die Beobachtung des Phänomens der Atomfluoreszenz • WalshArbeiten wurden • erste Publikation über analyt. AAS in Spectrochim. Acta als Spinnerei • 1959 L‘vovbezeichnet • erste Publikation über Graphitrohr-AAS • Bericht über Fluoreszenz des Atomdampfes in Flammen • 1961 Reed • erstes ICP mit Gas-Fluss • 1962 Alkemade • theoretische Grundlagen der Atomfluoreszenzspektrometrie AFS Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“

23. Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle; Department Analytik • Gould, Townes, Schawlow • erste Laser - Systeme • 1964 Winefordner, Vickers • erstes analytisches Verfahren für Spurenelementbestimmung mit AFS • 1964/65 Greenfield – Fassel • erste analytische Ergebnisse mit ICP- AES (OES) • 1975 Gray • erste Ergebnisse mit ICP – Massenspektrometrie • ……. Aufbaustudium "Analytik und Spektroskopie“